Abaqus在汽车碰撞安全分析中的应用

汽车交通事故中每年的死伤人数，常常超过世界局部战争，所以交通事故已经成为人类社会的公害之一。因此，从汽车设计角度来看，改善和提高车辆安全性设计，减低交通事故的伤亡是各国汽车行业研究的重要课题。

在仿真技术诞生之前,对汽车安全性能的提高，汽车工业不得不沿用传统的手段,不仅导致推出一项新产品需要花费很长时间,而且使汽车的安全性能也只能停留在最低水准——刚刚能够满足有关安全标准的要求。有了仿真技术这一新的研究手段,使得我们可以在设计阶段就可预先评估汽车结构的耐撞性，有利于尽早发现原设计的薄弱环节，对整个设计和优化过程进行有效的指导。汽车新产品从概念形成到开发成功的过程被迅速缩短,汽车的安全性能也逐步有了保障,尤其是1985年后用于求解大位移、大转角、大应变、接触碰撞问题的强非线性有限元方法的成熟,更为汽车的被动安全性研究开辟了新的途径。鉴于此，现在汽车碰撞安全分析已经成为汽车CAE分析中的一个重要方面，CAE仿真技术已成为代表当今汽车企业与研发机构水平的重要标志之一在缩短产品研发时间，提供汽车安全性和减低生产成本方面起着重要的作用。

在汽车碰撞安全方面ABAQUS与BMW、FIAT、GM、HMC等大的汽车制造商从部件级分析，整车碰撞以及乘员安全等方面进行了全面的合作，并造商的汽车碰撞安全分析中得到了越来越广泛的应用。



Abaqus在汽车碰撞安全分析中的特点

汽车碰撞是一个非常复杂的力学问题，是一个动态的大位移和大变形过程，接触和高速冲击中载荷影响着碰撞全过程，系统具有几何非线性、材料非线性和边界非线性等多重非线性行为。同时随着碰撞分析的深入，分析模型包括的组件越来越多，模型规模越来越大，对整个分析的并行计算的功能的要求也越来越高。



在汽车碰撞的模拟计算中，接触问题的处理是一个重点。接触不仅发生在车与外界之间、汽车各个部件之间，而且汽车的某一个部件都可能发生自身的接触碰撞。ABAQUS中采用通用接触方法来进行碰撞中接触的设置，只需在设置中把所有关心的部件都包括进去（用户可以通过BOX式的设置，随意选择欲设定的接触区域）随后程序会自动搜索相关的接触区域,考虑点到面之间的接触以及边到边和边到梁的接触，并进行计算，极大的方便了复杂模型接触问题的处理。同时对用户比较关心的接触区域，还可以采用接触对的方式对接触力等进行更为准确的分析。

汽车碰撞中，车辆中的薄壁构件是主要的吸能构件，在碰撞中，部件一般都会经历大的变形，具有不同程度的塑性变形，很多时候结构发生褶皱变形产生大 的塑性变形；同时，在不同的碰撞下，材料会表现出不同的力学性能，材料的这种率相关效应也必须考虑。ABAQUS具有丰富的材料本构供客户选择，同时可以考虑与温度，速度等相关的材料性能。对于应用于汽车中的泡沫吸能材料，ABAQUS也有相关的HYPERFOAM进行相关的模拟。

在汽车碰撞中，构件一般会经历大断裂和失效。ABAQUS一直将断裂和失效作为CAE模拟的一个发展方向，争取在五年之内使得断裂和失效在CAE分析中的应用与现在的塑性变形一样进入常规的分析中。在焊接的模拟方面，ABAQUS引入了与网格无关的焊点，ABAQUS通过向最近的表面投影参考点的方法确定焊点与表面相连的位置，即使在网格重新划分以接关系。同时，可以设置焊点的失效参数，引入渐进失效模型，对焊点的失效进行更为真实的模拟。

在汽车碰撞的模拟分析中，随着模拟程度越来越细，模型规模越来越大，机单CPU并行花费太多的时间，例如对于一辆整车的碰撞模拟，一般要包含数十万个单元，采用中心差分法利用显示积分格式进行计算，通常要计算数十万个时间步长，因此，进行多机多CPU并行计算非常必要，也是以后碰撞模拟的趋势所在.ABAQUS支持分布内存并行和共享内存并行计算功能。ABAQUS6.5-1的并行测试为例，对涡轮发动机的鸟撞模型进行并行分析，模型包含221,508 个单元和1.3M个自由度。采用ABAQUS并行分析，8CPU加速比可以达到6，由此可见ABAQUS具有良好的并行功能，可以满足汽车碰撞大规模模型分析的要求。



Abaqus在汽车碰撞中的应用

提高汽车的被动安全性可以从两方面着手，第一，提高汽车的安全结构，使得汽车碰撞部位的塑性变形尽量大，吸收较多的能量，确保乘员的生存空间。第二，使用乘员保护系统，如安全带、安全气囊等乘员保护装置对乘员加以保护，避免二次碰撞的出现，以达到保护乘员的目的。因此，汽车碰撞的模拟也包括结构分析和乘员保护分析。

结构碰撞分析中的应用

汽车碰撞安全标准中包含五个方面的内容，即：前撞，后撞，侧撞，顶部压垮（roofcrash）和侧门强度（sidedoorstrength）。在此我们仅举其中较为重要的正面碰撞和侧面碰撞的实例。

正面碰撞

据分析，在汽车碰撞事故中，发生正面碰撞的约占64%，侧面碰撞占20%，尾部碰撞占6%，因此汽车撞击试验重点是正面碰撞。
汽车正面碰撞模拟汽车碰撞分为带乘员约束系统和不带乘员约束系统两种方法，碰撞中汽车结构模型应包括：完整的白车身，包括前后风窗；保险杠系统，包括低速吸能系统；前门（带玻璃）；发动机、传动系统和固定零部件；排放系统；前悬挂系统；空调和散热器；转向系统；仪表板固定梁；轮胎模型等。乘员约束系统包括驾驶员座椅系统，假人模型、安全带、安全气囊等,假人模型必须经过标定。



在不带乘员约束系统结构碰撞方案中，考核的目标主要是转向系统的运动(主要是指方向盘的上下、前后和左右运动位移)、脚踏板的前移量和后门槛梁（ROCKER）的速度曲线。

侧面碰撞

在碰撞分析中侧碰与正碰是两个基本的碰撞测试分析。从碰撞发生的情况来看，侧面碰撞仅次于正面碰撞，但是从伤亡情况看，以2000年我国发生的交通事故为例，正面碰撞造成的伤亡人数占26.9%，而侧面碰撞占32.3%。这是因为在侧面碰撞时车身变形生存空间小，所以，侧面碰撞时乘员受伤危险性比正面碰撞高得多，由此可见研究汽车侧面碰撞对改善交通安全至关重要。

在侧面碰撞中，为了加强对乘客的保护，车门，门槛和立柱都要设计乘刚性结构，并将碰撞力有效得传递到具有保护和吸能作用得梁、柱、地板、车顶和其他部件，使撞击力被分散吸收，并最大想度地把可能造成得损害减低到最小程度。

乘员约束系统的模拟

安全带在正面的低速碰撞中可以有效地保护乘员，是使用最广泛的约束方式。ABAQUS中采用MEMBER单元模拟安全带，利用ABAQUS针对安全带开发的滑轮CONNECTOR单元对安全带装置进行准确模拟。同时，对今年来发展起来的新型的预紧式安全带，也可以通过相应的设置添加预紧力，对其进行准确模拟。



安全气囊在汽车的碰撞事故中可以有效保护乘员、减少伤亡，因此，近20年来在发达国家得到迅速的发展和普及。 采用基于的流体单元，ABAQUS可以有效的模拟安全气囊的展开，对侧面气囊与正面气囊均能进行有效的模拟。



在乘员保护分析中，利用假人模型，在碰撞瞬间，计算出头、颈、胸、腰、腿与膝盖等人体伤害值，可以更好的描述人体的各个部位和器官在发生碰撞时的损伤情况.ABAQUS与FTSS合作开发新一代的ABAQUS假人模型，在精度、可靠性以及可重复性方面均匀很大提高。



行人保护

在过去的汽车被动安全研究中，乘员保护一直是研究的核心内容。然而，相对于汽车乘员受伤而言，行人在汽车事故中受伤的比例也很大。因此，汽车安全不仅是针对车内乘客而言，同时也要保护行人安全，现在，这个问题已经引起了世界汽车界的重视。通过CAE仿真分析，真实反映行人被撞后的运动状态、行人与可接触的车体结构的关系，这有助于设计人员改善结构（如保险杠、发动机盖和挡风玻璃等），获得最佳的行人保护效果。 在行人保护中，引擎罩机械系统是一个关键的设计，其能够在汽车发生碰撞时迅速鼓起，使得撞击而来的人体碰撞在柔性与圆滑的表面上，减少了被撞人受伤的可能。在行人、发动机罩和发动机室内部件之间形成吸能区域，通过发动机罩的变形减小对行人头肩部的冲击。



在整车CAE分析中的应用

在整车的CAE分析中，除了汽车碰撞安全分析以外，汽车NVH分析也越来越成为其中的重要内容。据统计，整车约有三分子一的故障问题与车辆的NVH问题有关。同时，随着汽车工业的迅速发展,人们对于汽车的舒适性和振动噪声控制的要求越来越严格，NVH分析也成为汽车CAE分析的一个主要内容。

基于模态叠加法的振动分析是NVH分析的主要内容,ABAQUS提供LANCZOS特征值求解器，对大规模模型进行快速，准确的特征频率提取，极大的提高了分析求解速度。同时，在V6.6版本中，ABAQUS推出了新的AMS特征值求解器，以具有127,000 个单元800,000 自由度的白车身模型为例，提取前1000阶频率，所花时间为原来求解器的六分之一。

城市噪声的70%来源于交通噪声，而交通噪声主要是汽车噪声。然而一切噪声又源于振动,振动能够引起某些部件的早期疲劳损坏,从而降低汽车的使用寿命;过高的噪声既能损害驾驶员的听力,还会使驾驶员迅速疲劳,从而对汽车行驶安全性构成了极大的威胁。所以噪声控制,也关系到汽车的耐久性和安全性。

汽车噪声来源主要源于发动机，传动系，轮胎等，在整车的NVH分析中需要对主要噪声源进行系统分析。ABAQUS提高完全耦合的声固耦合分析，可以将车身和车厢内的空气独立创建模型，并将他们耦合在一起，进行综合分析。通过设计参数的调整，达到最大的乘员舒适度。

下图为车厢内声压分布的耦合分析，车内噪声的主要测试位置包括驾驶员左耳，付驾驶位置等。利用ABAQUS声固耦合分析可以对由发动机引起的这些主要位置的声压分布进行监控。



汽车在行驶过程中，可能会遇到突然刹车。不同的行驶速度，结构的受力将会有较大的差异，因此刹车过程中的受力分析，也是汽车设计过程中必须考虑的问题。在刹车过程的分析中，车身需要另外的力平衡制动载荷。此时，可以采用惯性解除提供的惯性力平衡止动载荷，对结构进行静力分析，进而得到整车的响应。
汽车整车动力学仿真包括路面,轮胎,悬架,转向系统等的三维多刚体动力学模型。在abaqus中可以用连接器单元模拟个部件之间的连接，同时，还可以将关心的部件模拟成变形体，对所关心区域的应力水平进行监控。